一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪的制作方法
【专利摘要】本发明针对现有技术存在的问题，提供一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，通过将飞秒激光脉冲分割，各个脉冲之间具有一定的时间延迟。然后将此序列分为两路，一路用于产生太赫兹脉冲序列，另一路通过倾斜前沿脉冲光产生装置，产生具有前沿倾斜的探测光脉冲，实现对太赫兹脉冲的单次瞬态测量；结合信号采集及处理模块，对各个探测脉冲进行成像，就可以获得多个太赫兹脉冲序列的各个子脉冲的波形信息。本发明通过飞秒脉冲激光器、负啁啾脉冲光产生装置、分光延迟装置、太赫兹产生装置、倾斜前沿脉冲光产生装置、电光效应晶体、信号采集及处理模块完成太赫兹脉冲序列的多个子脉冲波形信息的测量。
【专利说明】一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪
【技术领域】
[0001] 本发明属于太赫兹时域光谱成像系统研究【技术领域】，具体涉及一种多幅太赫兹瞬 态时域光谱成像仪。
【背景技术】
[0002] 近年来太赫兹时域光谱技术发展迅速，利用太赫兹时域光谱技术对材料超快动力 学的研究取得了丰富的成果。该技术适合于可重复的(可逆的）材料超快动力学过程的研 究，但对于单次的不可逆的材料超快动力学行为就无能为力了。原因如下：传统的太赫兹时 域光谱系统大多基于电光效应对太赫兹脉冲的时域电场信号进行探测，为了提高信噪比， 一般在测量中会使用锁相放大器，使用多次测量取平均的方法，对可逆的超快过程逐点多 次测量，以获取完整的材料超快动力学过程的信息。近年来又发明了太赫兹脉冲单次测量 的方法，可以实现对单个太赫兹脉冲进行时域信号的测量，不必进行多次重复的测量。但 是这些方法也只能实现对单个太赫兹脉冲的测量，无法实现对包含多个太赫兹脉冲的太赫 兹脉冲序列进行高速的单次测量。在材料不可逆的（即单次过程)超快动态过程的太赫兹光 谱研究中，需要对太赫兹探测脉冲进行连续多次的瞬态测量，上述两种方法不再适用，而且 目前尚没有有效的方法实现对太赫兹脉冲的多次瞬态测量。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种_速多幅太赫兹时域光 谱成像仪，通过将飞秒探测激光脉冲分割成多个子脉冲序列，各个脉冲之间具有一定的时 间延迟。然后将此序列分为两路，一路用于产生太赫兹脉冲序列，另一路通过倾斜前沿脉冲 光产生装置，产生具有倾斜前沿的探测光，实现对太赫兹脉冲的单次瞬态测量；结合信号采 集及处理模块，对各个探测脉冲进行成像，就可以获得多个太赫兹脉冲序列的各个子脉冲 的波形信息。
[0004] 本发明目的通过下述技术方案来实现： 一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪包括：飞秒脉冲激光器、负啁啾脉冲光产生装置、 分光延迟装置、太赫兹产生装置、倾斜前沿脉冲光产生装置、电光效应晶体、信号采集及处 理模块； 飞秒脉冲激光器，用于产生飞秒激光脉冲； 负啁啾脉冲光产生装置，用于将飞秒脉冲激光调制成带有负线性啁啾的脉冲光； 分光延迟装置，用于将负线性的啁啾脉冲光变为两路带有多个子脉冲的飞秒脉冲序列 信号； 太赫兹产生装置，用于将分光延迟装置产生的其中一路飞秒脉冲序列信号转化为具有 多个子脉冲的太赫兹脉冲序列信号； 倾斜前沿脉冲光产生装置，用于将分光延迟装置产生的另一路飞秒脉冲序列信号变为 具有倾斜前沿的脉冲光序列； 电光效应晶体，所述太赫兹产生装置产生的太赫兹脉冲序列信号与倾斜前沿脉冲光产 生装置产生的具有倾斜前沿的脉冲光同时进入电光效应晶体，太赫兹脉冲序列信号在电光 效应晶体中的电光效应，会使得倾斜前沿脉冲光的偏振态发生改变； 信号采集及处理模块，用于对从电光效应晶体出射的倾斜前沿脉冲光序列携带了对应 太赫兹脉冲序列信号的信息进行数据采集及处理，得到太赫兹脉冲序列的多个子脉冲的信 号波形。
[0005] 进一步，所述分光延迟装置包括k+1个分束棱镜和2k个反射镜，k大于等于 1 ;负啁啾脉冲光产生装置输出的负线性的啁啾脉冲光通过第一分束棱镜BS1后被分为 两路脉冲光，其中一路脉冲光直接到达第二分束棱镜BS2 ;另一路脉冲光被第一分束棱 镜BS1反射到第一反射镜M1，再经过第二反射镜M2后，到达第二分束棱镜BS2,因此经 过第一分束棱镜BS1的两路脉冲光先后到达第二分束棱镜BS2,以此类推，到达第k个 分束棱镜的脉冲光被分为两束脉冲光，其中一路脉冲光直接到达第k+1个分束棱镜BS (k+1);另一路脉冲光被反射到第（2k-l)个反射镜，再经过第2k个反射镜后，再到达 第k+1个分束棱镜BS(k+1);最后的第k+1个分束棱镜BS(k+1)产生两路脉冲光输 出；其中脉冲光从第i个分束棱镜到第i+1个分束棱镜之间两种路线之间的时间差设为 6，总共有k个时间差A; , / =: ,并且满足
【权利要求】
1. 一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于包括：飞秒脉冲激光器、负啁啾 脉冲光产生装置、分光延迟装置、太赫兹产生装置、倾斜前沿脉冲光产生装置、电光效应晶 体、信号采集及处理模块； 飞秒脉冲激光器，用于产生飞秒激光脉冲； 负啁啾脉冲光产生装置，用于将飞秒脉冲激光调制成带有负线性啁啾的脉冲光； 分光延迟装置，用于将负线性的啁啾脉冲光变为两路带有多个子脉冲的飞秒脉冲序列 信号； 太赫兹产生装置，用于将分光延迟装置产生的其中一路飞秒脉冲序列信号转化为具有 多个子脉冲的太赫兹脉冲序列信号； 倾斜前沿脉冲光产生装置，用于将分光延迟装置产生的另一路飞秒脉冲序列信号变为 具有倾斜前沿的脉冲光序列； 电光效应晶体，所述太赫兹产生装置产生的太赫兹脉冲序列信号与倾斜前沿脉冲光产 生装置产生的具有倾斜前沿的脉冲光同时进入电光效应晶体，太赫兹脉冲序列信号在电光 效应晶体中的电光效应，会使得倾斜前沿脉冲光的偏振态发生改变； 信号采集及处理模块，用于对从电光效应晶体出射的倾斜前沿脉冲光序列携带了对 应太赫兹脉冲序列信号的信息进行数据处理，得到太赫兹脉冲序列的多个子脉冲的信号波 形。
2. 根据权利要求1所述的一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于所述 分光延迟装置包括k+Ι个分束棱镜和2k个反射镜，k大于等于1 ;负啁啾脉冲产生装置 输出的负线性的_啾脉冲光通过第一分束棱镜后被分为两路脉冲光，其中一路脉冲光直 接到达第二分束棱镜；另一路脉冲光被第一分束棱镜反射到第一反射镜，再经过第二反 射镜后，到达第二分束棱镜，因此经过第一分束棱镜的两路脉冲光先后到达第二分束棱 镜，以此类推，到达第k个分束棱镜的脉冲光后被分为两束脉冲光，其中一路脉冲光直 接到达第k+Ι个分束棱镜；另一路脉冲光被反射到第（2k-l)个反射镜，再经过第2k个 反射镜后，再到达第k+Ι个分束棱镜；最后的第k+Ι个分束棱镜产生两路脉冲光输出； 其中脉冲光从第i个分束棱镜到第i+Ι个分束棱镜之间两种路线之间的时间差设为 4,总共有k个时间差#,I= ，并且满足>ft,--ι:IΛ, ,I=E^f1- 即第i+1个时间差大于前面i个时间差的总和。
3. 根据权利要求2所述的一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于所述负啁 啾脉冲光产生装置包括第一光栅对、第十一反射镜、第十二反射镜以及第一分束片，所述飞 秒脉冲激光器产生的飞秒激光脉冲通过第一分束片以及第一光栅对后再通过第一反射镜 反射回第一光栅对后，产生负线性的啁啾脉冲光，所述负线性的啁啾脉冲光经过第一分 束片以及第二反射镜后输出至分光延迟装置。
4. 根据权利要求2所述的一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于所述太赫 兹脉冲产生装置包括第一聚焦透镜、第一非线性晶体、聚乙烯平板以及第一抛物面反射镜； 所述分光延迟装置经过第k+Ι个分束棱镜后产生的两路脉冲光，其中一路脉冲光依次经过 第一聚焦透镜、照射到第一非线性晶体上产生太赫兹脉冲序列，然后产生的太赫兹脉冲序 列经过聚乙烯平板以及第一抛物面反射镜后，入射到电光效应晶体中。
5. 根据权利要求2所述的一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于所述倾斜 前沿脉冲光产生装置包括光栅、第十三反射镜、第二聚焦透镜、第一起偏器以及第二抛物面 反射镜；所述分光延迟装置经过第k+Ι个分束棱镜后产生的两路脉冲光，其中另一路脉冲 光经过光栅后，其一级衍射光变为具有倾斜前沿的脉冲光，并依次经过第十三反射镜、第 二聚焦透镜、第一起偏器以及第二抛物面反射镜上的小孔后，入射到电光效应晶体中。
6. 根据权利要求2所述的一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于所述电光 效应晶体是第二非线性晶体。
7. 根据权利要求2所述的一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪，其特征在于所述信 号米集及处理模块包括第一检偏器、高速分幅相机；第一检偏器的方向与倾斜前沿脉冲光 产生装置中的第一起偏器的方向垂直；所述电光效应晶体出射的携带太赫兹脉冲信息的倾 斜前沿脉冲光序列通过第一检偏器时，未被太赫兹脉冲序列调制的偏振分量被第一检偏器 过滤掉，同时被太赫兹脉冲序列调制的偏振分量通过第一检偏器，然后通过第一检偏器的 脉冲光偏振分量输入高速分幅相机，得到倾斜前沿脉冲光序列中每一个探测脉冲的光强 分布/; (U),其中S代表倾斜前沿脉冲光序列的脉冲编号，X，y分别表示二维坐标；在X方 向上，倾斜前沿脉冲光的脉冲前沿是倾斜的，因此不同的X位置就代表了不同的时间；被第 一检偏器过滤出来的偏振分量脉冲光的强度正比于太赫兹脉冲电场强度f￠0 ,因此第 一检偏器过滤出来的偏振分量脉冲光的强度分布直接正比于太赫兹脉冲的电场波形信号， 即馬accZ3P/ccos￠)，其中c为光速，β代表脉冲前沿倾斜角；由于探测脉冲光序列与 太赫兹脉冲序列是一一对应的，因此对高速分幅相机获得的每一个子脉冲的光强分布进行 上述处理，即可得到对应的太赫兹脉冲的波形信息。
【文档编号】G01N21/3586GK104458646SQ201410823627
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月26日 优先权日:2014年12月26日
【发明者】翟召辉, 孟坤, 朱礼国, 钟森城, 刘乔, 李江, 彭其先, 李泽仁 申请人:中国工程物理研究院流体物理研究所